مقاومت در برابر سایش: اولویت برتر در ریختههای تجهیزات معدنی
در کاربردهای معدنی که ریختهگریها با خردایش، سایش و الک کردن مداوم مواجه هستند، مقاومت در برابر سایش بهسادگی نمیتواند نادیده گرفته شود. واقعیت این است که سایش تنها به خواص مواد وابسته نیست. بلکه از نحوه تعامل ساینده ریختهگریها با سنگ معدن در طول زمان پدیدار میشود. اکثر متخصصان این فرآیند را در مراحلی میشناسند. ابتدا دوره سبککاری رخ میدهد که در آن سطوح خود را با محیط تطبیق میدهند. سپس مرحله سایش پایداری اتفاق میافتد که بهتدریج پیشرفت میکند. در نهایت، به نقاط بحرانی خرابی میرسیم که در آن جایگزینی ضروری میشود. درک این مراحل اهمیت دارد، زیرا مستقیماً بر مدت زمان عمر تجهیزات در عملیات فرآوری مواد معدنی در سراسر صنعت تأثیر میگذارد.
چرا سایش ساینده شکست در خردکنها، آسیابها و الکها را تحتالشعاع قرار میدهد
حدود 70 درصد مشکلات سایش اولیه در تجهیزات مورد استفاده برای دستوپا کردن سنگآهن به دلیل سایش است. صفحات فکی به طور مداوم در تماس با موادی مانند گرانیت و سنگآهن قرار دارند. آستر آسیابها تحت تأثیر همزمان ضربه و سایش ناشی از رسانههای خردایش داخلی قرار میگیرند. الکها نیز اثر شستوشوی ماده روی ماده را تجربه میکنند که به تدریج سطوح مشبک سیمی آنها را فرسوده میکند. هنگامی که سایش به درستی مدیریت نشود، میتواند عمر آستر شکنها را بین 30 تا حتی 50 درصد کاهش دهد. این امر منجر به توقفهای تولید متعددتر از زمانبندیشده میشود، هرچند زمانبندی نگهداری منظم رعایت شود. بهترین راهحل چیست؟ آلیاژهای خاصی که به طور ویژه برای مقابله با تجمع ذرات و عمل برشهای ریزی طراحی شدهاند که به مرور زمان خسارت بزرگی ایجاد میکنند.
تعادل بین سختی و چقرمگی: مبادله اصلی در طراحی ریختهگری
بیشینهکردن عمر مفید فرسایشی مستلزم برخورد با یک موقعیت معامله دشوار است. مواد بسیار سخت در برابر آسیبهای سطحی مقاوم هستند، اما تمایل به ترک خوردن در هنگام ضربههای شدید دارند؛ در مقابل، آلیاژهای انعطافپذیرتر ضربه را بهتر تحمل میکنند، اما در برابر سایش دوام کمتری دارند. بهترین آلیاژهای ریختهگری نقطه بهینه بین این دو افراط را با مدیریت دقیق تشکیل کاربیدها و ریزکردن ساختار دانهها پیدا میکنند. به عنوان نمونه میتوان به چدن سفید با کروم بالا اصلاحشده اشاره کرد. این مواد معمولاً به سطح سختی حدود 600 برینل میرسند و در عین حال دارای 5 تا 8 درصد چقرمگی شکست هستند. آزمایشهای عملی نشان میدهند که این مواد در کاربردهای آسیاب گلولهای به طور تقریبی سه برابر فولاد معمولی عملکرد بهتری دارند. چیزی که این مواد را بسیار مؤثر میکند، تواناییشان در جلوگیری از تشکیل ترکهای مخرب در چکشهای خردکن در هنگام برخورد با سنگها در حین کار است.
مقاومت در برابر خوردگی و ضربه در محیطهای معدنی تهاجمی
قطعات ریختهگری تجهیزات معدنی در محیطهای فرآوری مواد معدنی با دو نوع فرسودگی شدید و پیوسته مواجه هستند. همزمانی خوردگی شیمیایی و ضربه مکانیکی، نرخ خرابی را افزایش میدهد و نیازمند مهندسی مواد تخصصی برای عملکرد پایدار است.
تنش همزمان شیمیایی و مکانیکی در مدارهای پردازش مرطوب
در سیستمهای پردازش مرطوب، قطعات ریختهگری علاوه بر قرار گرفتن در معرض لجنهای اسیدی و قلیایی، به طور مداوم تحت ضربه ذرات سنگ معدن قرار میگیرند. چه اتفاقی میافتد؟ خوردگی شروع به از بین بردن سطوح میکند و آنها را در برابر سایش آسیبپذیر میسازد، زیرا ذرات عمیقتر به داخل مواد نفوذ میکنند. قطعاتی که با این لجنها کار میکنند، حدود سه برابر سریعتر نسبت به تجهیزات محیطهای خشک فرسوده میشوند. به عنوان مثال، پوستههای پمپ (volute) که در عملیات لیچینگ استفاده میشوند، همزمان دچار آسیب حفرهای (pitting) و فرسایش (erosion) میگردند. این امر به معنای تعویض بسیار زودهنگام آنهاست و معمولاً عملیات سالانه حدود ۱۸۰ هزار دلار آمریکا فقط برای تعمیرات این قطعات در سایتهای مختلف هزینه میکند.
راهبردهای آلیاژ: چگونه فولادهای کروم-منگنز دوام دوگانه را افزایش میدهند
آلیاژهای فولادی که کروم و منگنز را ترکیب میکنند، بخاطر طراحی هوشمند فلزات، قادر به مقابله همزمان با دو نوع از تخریب ماده هستند. محتوای کروم در محدوده ۱۲ تا ۱۸ درصد، لایههای اکسیدی محافظتی روی سطوح ایجاد میکند که در مقابل حمله اسیدها و قلیاها مقاومت خوبی دارند. در همین حال، حدود ۱٫۲ تا ۱٫۶ درصد منگنز اثر سخت شدگی ناشی از کار (work hardening) را به فلز میدهد، زمانی که تحت ضربه یا تنش در حین کار قرار میگیرد و گاهی مقاومت سطحی را تا حدود ۵۵۰ HB در شرایط واقعی عملیاتی افزایش میدهد. این به چه معناست؟ تجهیزات ساخته شده با این آلیاژها در محیطهای سخت مثل آستر آسیابهای خردکن، بین ۴۰ تا ۷۰ درصد عمر بیشتری دارند. و نکته مهم دیگری که کمتر کسی به آن اشاره میکند این است: این مواد حتی در دماهای پایینتر از ۴۰- درجه سانتیگراد نیز چقرمه باقی میمانند؛ بنابراین در شرایط قطبی که فولادهای معمولی بهطور کامل خراب میشوند، این مواد دچار تردی و ترک نمیشوند.
انتخاب مواد استراتژیک برای ریختهگری تجهیزات معدن
تطبیق آلیاژهای ریختهگری با نیازهای کاربردی: چدن سفید، چدن نشکن و فولاد پرمنگنز
هنگام انتخاب آلیاژهای مناسب، همه چیز به نحوه واکنش مواد در برابر تنشهای مختلفی که در حین کار با آنها روبرو میشوند، بستگی دارد. به عنوان مثال، آهن سفید را در نظر بگیرید. با داشتن محدوده سختی شگفتانگیز بین حدود ۵۰۰ تا ۷۰۰ BHN، این ماده در مقابل مشکلات سایشی در قطعاتی مانند روکشهای خردکن یا مچهای آسیاب و در شرایطی که بیش از ۶۰٪ کوارتز وجود دارد، عملکرد بسیار خوبی دارد. سپس آهن چکشخوار را داریم که در ساختار خود دارای ندولهای کوچک گرافیت است. این ویژگی مقاومت ضربهای آن را حدود ۷ تا ۱۰ برابر بهتر از آهن خاکستری معمولی میکند؛ بنابراین برای قطعاتی مانند دندانههای بیل مکانیکی و اجزای سیستمهای نقاله که به طور مکرر تحت ضربه قرار میگیرند، عملکرد عالی دارد. همچنین نباید فولاد منگنز بالا را فراموش کرد. چیزی که این ماده را خاص میکند این است که در واقع با دریافت ضربه سختتر میشود. سطح آن در ابتدا حدود ۲۰۰ HB است اما در حین کار میتواند به بیش از ۵۵۰ HB افزایش یابد. این خاصیت آن را به مادهای بسیار مناسب برای قطعاتی مانند تسمههای فیدر ارهای و صفحات الک کردن تبدیل میکند که به طور منظم با سرعت بالا تحت ضربه قرار میگیرند.
نوآوری نوظهور: قطعات ترکیبی دو فلزی و ریختهگری مرکزگریز
تکنیکهای مدرن فلزکاری با ترکیب لایهای مواد مختلف، مشکلات ناشی از استفاده از تنها یک نوع آلیاژ را دور میزنند. به عنوان مثال، ریختهگری دو فلزی (bimetallic castings). این روش، پوششهای سخت کاربید کروم که میتوانند شرایط بسیار سختی را تحمل کنند (درجه سختی بین ۵۸ تا ۶۲ در مقیاس راکول)، را از طریق روشهای خاص اتصال به پایههای چدن انعطافپذیر و محکم متصل میکند. آزمایشهای انجامشده در کارخانهها نشان میدهد که عمر این قطعات ترکیبی در کاربردهای پمپهای خمیری حدود سه برابر بیشتر از آلیاژهای معمولی تکموادی است. روش دیگری هم وجود دارد به نام ریختهگری مرکزگریز که مؤلفههایی با گرادیان عملکردی (functionally graded components) تولید میکند. سطح خارجی آن با کاربید کروم متراکم پوشیده میشود که در برابر سایش مقاوم است، در حالی که در داخل از فولاد اوستنیتی جاذب ضربه استفاده شده است. این ترکیب در آستر آسیابهای سنگشکن بسیار مؤثر است، جایی که تجهیزات همزمان با ضربههای مداوم و محیطهای خورنده روبرو میشوند. این مواد ترکیبی مشکل قدیمی را حل میکنند که در آن قطعات مجبور بودند بین سخت بودن یا چقرمگی انتخاب کنند. در عملیات واقعی معادن که سایش بسیار شدید است، عمر این قطعات معمولاً قبل از نیاز به تعویض، بین ۴۰٪ تا حتی ۲۰۰٪ بیشتر طول میکشد.
سوالات متداول
نگرانی اصلی در مورد ریختههای تجهیزات معدنی چیست؟
نگرانی اصلی، مقاومت در برابر سایش به دلیل فرآیندهای مداوم خردایش، آسیاب کردن و الک کردن است.
مشکلات ناشی از سایش ساینده چگونه بر تجهیزات معدنی تأثیر میگذارند؟
سایش ساینده میتواند عمر قطعاتی مانند روکشهای خردکن را بهطور قابل توجهی کاهش دهد و منجر به توقفهای مکرر تولید شود.
مزایای استفاده از فولادهای کروم-منگنز چیست؟
این فولادها با مقاومت در برابر هم خوردگی شیمیایی و هم ضربه مکانیکی، دوام دوگانه را افزایش داده و عمر تجهیزات را افزایش میدهند.
